有機(jī)肥料自動(dòng)打包機(jī)設(shè)計(jì)

[摘要]當(dāng)前國內(nèi)大部分有機(jī)肥料打包方式都是采用半自動(dòng)人工裝袋，且由于有機(jī)肥料的特性，該方式是有機(jī)農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。有機(jī)肥料自動(dòng)打包機(jī)具有自動(dòng)開續(xù)袋、稱重、封口和傳送的功能，整機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、打包速度快、占地面積小、工作流暢穩(wěn)定、協(xié)調(diào)性良好、打包質(zhì)量氣密性好，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)批量稱重、打包、封口一體化作業(yè)，解決了需要人工輔助、工作環(huán)境惡劣、打包效率低下、氣密性不足導(dǎo)致肥料變質(zhì)的問題。

[關(guān)鍵詞]有機(jī)肥料;自動(dòng);打包

中圖分類號(hào)：TB486 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201810

有機(jī)肥料是指含有大量有機(jī)物質(zhì)的肥料，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到了重要的作用。有機(jī)肥施入土壤，經(jīng)微生物分解，可源源不斷地釋放各種養(yǎng)分供植物吸收，還能釋放二氧化碳，改善作物碳素營養(yǎng)。未來我國有機(jī)肥生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程會(huì)有所加快，一方面，有機(jī)農(nóng)業(yè)的迅速崛起和化肥價(jià)格持續(xù)攀升有力地拉動(dòng)了國內(nèi)有機(jī)肥需求市場(chǎng)的擴(kuò)大與活躍，而我國豐富的養(yǎng)殖場(chǎng)的廢棄資源又為有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)提供了數(shù)量龐大且來源穩(wěn)定的有機(jī)原料空間，有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)化有效地解決了規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)由于缺乏有效處理手段而出現(xiàn)大量糞便堆積的問題;另一方面，國家和各地政府為發(fā)展有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)出臺(tái)了多種鼓勵(lì)政策，施用有機(jī)肥財(cái)政補(bǔ)貼的做法激發(fā)了農(nóng)業(yè)和林業(yè)應(yīng)用有機(jī)肥的積極性，特別是2018年財(cái)政部、國家稅務(wù)總局出臺(tái)有機(jī)肥產(chǎn)品免征增值稅的相關(guān)政策，對(duì)有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大產(chǎn)生了重要的激勵(lì)作用[1-2]。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)

有機(jī)肥料自動(dòng)打包機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。如圖1所示，所設(shè)計(jì)的有機(jī)肥料打包機(jī)整機(jī)分為三大模塊：第一模塊為PLC控制計(jì)量稱重;第二模塊為自動(dòng)切封袋模塊，包含提袋裝置、熱封裝置、絲桿裝置、切袋裝置;第三模塊為續(xù)袋模塊，包含送袋裝置、定袋裝置。其中1為稱重落料裝置、2為提袋裝置、3為熱封裝置、4為絲桿裝置、5為切袋裝置、6為定袋裝置、7為送袋裝置。為了能夠更好地對(duì)打包機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)減少加工成本，以原定袋裝草料質(zhì)量的1/10（質(zhì)量為0.5～1.5kg）為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)：電源24V、整機(jī)質(zhì)量25kg、長(zhǎng)1m、寬0.5m、高1. 3m。

1.2 工作原理

為了實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥料精確裝入袋中，有機(jī)肥料自動(dòng)打包機(jī)整體以鋁制型材作為緊固與受力的基本框架結(jié)構(gòu)。本機(jī)通過包裝袋預(yù)準(zhǔn)備、落料、封口、出袋四個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化打包有機(jī)肥料。第一步為包裝袋預(yù)準(zhǔn)備，包裝袋采用卷形包裝袋，與錐形滾軸相適應(yīng)，包裝袋前端通過置物臺(tái)直形縫隙結(jié)構(gòu)，裝置工作時(shí)，真空負(fù)壓吸盤在汽缸作用下吸附包裝袋，并且開始提升動(dòng)作，完成提升指定包裝袋長(zhǎng)度工作后，下封袋裝置運(yùn)行，將包裝袋下部進(jìn)行熱封，熱封后通過切刀去離包裝袋;第二步為落料，回轉(zhuǎn)氣缸在稱重達(dá)到預(yù)定尺寸，控制氣缸控制進(jìn)料口完全關(guān)閉后，使稱重控制板回轉(zhuǎn)，將稱量完畢的粉料從料倉中送入包裝機(jī)械的包裝袋中;第三步為包裝袋上封口，完成壓實(shí)有機(jī)肥料后，上封口裝置將包裝袋壓實(shí)封緊，打包機(jī)工作完成。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 提袋裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提袋裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2，其中1為絲桿電機(jī)、2為絲桿、3為真空發(fā)生氣器、4為氣管、5為吸盤、6為氣缸。該提袋裝置以工業(yè)生產(chǎn)中的吸盤搬運(yùn)設(shè)備為模型改造而來，采用雙向氣缸控制真空負(fù)壓吸盤的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用真空發(fā)生器制造吸盤的真空環(huán)境，并使用電磁閥控制氣體的流通[3]?？刂葡到y(tǒng)采用外國生產(chǎn)的電子元件及西門子可編程控制器，設(shè)有專門提袋系統(tǒng)，保證高穩(wěn)定性和工作效率。三個(gè)吸盤用固定件安裝在鋁型材上并用氣管連接到真空發(fā)生器上，連接口設(shè)置電磁閥。控制氣缸控制兩氣缸推桿運(yùn)動(dòng)從而完成吸盤裝置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，固定螺栓上有彈簧使吸盤與打包袋貼合更緊密，并能起到一定的緩沖作用。

工作開始后，兩排吸盤在推桿的作用下壓緊打包袋，此時(shí)電磁閥接受指令打開開關(guān)，管道連通，吸盤內(nèi)空氣被抽空，吸盤牢牢吸住袋子。隨后，繼續(xù)完成兩排吸盤分開完成撐袋，并在升降機(jī)的作用下完成提袋工作。

2.2 熱封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3，其中1為絲桿電機(jī)、2為絲桿、3為氣缸、4為可控?zé)岱鈯A片、5為剪斷機(jī)構(gòu)。熱封裝置主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)包裝袋底部和頂部?jī)纱螣岱庖约暗撞考魯嗳齻€(gè)機(jī)械工藝動(dòng)作。上下熱封裝置左右兩邊各由氣缸和可控?zé)岱鈯A片組成，剪斷機(jī)構(gòu)依附下熱封機(jī)構(gòu)，通過氣缸控制左右兩邊的熱封夾片水平相向移動(dòng)，在完成下封口時(shí)同時(shí)完成袋底的剪斷。

當(dāng)袋子經(jīng)載物臺(tái)上方兩邊，由步進(jìn)電機(jī)控制的移動(dòng)滑塊將開口擠壓成薄片狀并保留一定的間隙后，兩側(cè)滑塊上的熱封裝置將擠壓后兩層重疊的編織袋放在兩塊加熱（或者其中一塊加熱）的金屬板之間，直到表層熔化，在壓力下使熔化的表面迅速結(jié)合在一起，并保持壓力至冷卻為止，步進(jìn)電機(jī)控制移動(dòng)絲桿向裝置兩邊移動(dòng)完成熱封全過程[4-5]。

2.3 稱重落料模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)量稱重模塊分解見圖4，其中1為進(jìn)料口、2為氣缸推動(dòng)板、3為雙作用氣缸、4為氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)板、5為回轉(zhuǎn)氣缸傳動(dòng)軸、6為出料管。該模塊采用雙向氣缸控制送料口尺寸，同時(shí)利用氣缸多工位達(dá)到控制流量精度目的，在裝袋接近所需重量時(shí)減小送料口尺寸，保證滿足±20g精度的目的?？刂葡到y(tǒng)采用精密的電子稱重儀表及西門子可編程控制器，設(shè)有專門稱重系統(tǒng)，保證很高的包裝精度、很高的可靠性和迅速的送料效率。進(jìn)料口與頂部倉庫連接，引導(dǎo)粉料從倉庫落入稱量裝置中，控制氣缸控制兩氣缸推桿運(yùn)動(dòng)，氣缸多個(gè)工位控制推桿三個(gè)不同的相對(duì)位置，在送料開始、稱量1/2、稱量完成，控制氣缸的三個(gè)工位，保證三個(gè)不同大小的開口尺寸[6-7]?；剞D(zhuǎn)氣缸在稱重達(dá)到預(yù)定尺寸，控制氣缸控制進(jìn)料口完全關(guān)閉后，使稱重控制板回轉(zhuǎn)，將稱量完畢的粉料從料倉中送入包裝機(jī)械的包裝袋里。

3 理論計(jì)算與ANSYS分析

3.1 提袋續(xù)袋力臂的受力情況分析

3.1.1 氣動(dòng)機(jī)械臂有限元靜力分析

線彈性有限元是以理想彈性體為研究對(duì)象考慮的變形建立在小變形假設(shè)的基礎(chǔ)上。由于均勻、連續(xù)、各向同性彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變及其與外負(fù)荷之間呈線性關(guān)系滿足廣義胡克定律，因此求解彈性力學(xué)基本公式是計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要依據(jù)。

（1）平衡方程。彈性體V域內(nèi)任一點(diǎn)沿坐標(biāo)軸x、y、z方向的平衡方程為：

（1）

（2）

（3）

其中為單位體積的體積力在x、y、z方向的分量。且有。平衡方程的矩陣形式為：

（4）

其中，A是微分算子，即：

（5）

是體積力向量，即：

（6）

（2）應(yīng)變-位移幾何方程。當(dāng)所研究的彈性體發(fā)生變形建立在小變形，小位移的情況下，省略位移導(dǎo)數(shù)的高次冪，求得應(yīng)變向量和位移向量之間存在的幾何關(guān)系為：

、 、" " " " " " " " " " " " " " " " " "（7）

（8）

（9）

（10）

應(yīng)變-位移方程矩陣形式為：

ε=Pu=PMt=P[M1 M2...Mn]t

=[T1 T2...Tn]t=Tt" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（11）

其中，P為微分算子，M為形函數(shù)，t為單元結(jié)點(diǎn)位移列陣，T為應(yīng)變矩陣。

T的分塊子矩陣為：

（12）

式中，i=1，2，...，n。

由應(yīng)變-位移方程可知，當(dāng)彈性體的位移完全確定時(shí)，應(yīng)變也完全確定。

3.1.2 氣動(dòng)機(jī)械臂連桿加載并求解

根據(jù)吸盤開袋、提袋使用情況，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械臂連桿進(jìn)行邊界條件及載荷施加。邊界條件的施加與氣動(dòng)機(jī)械臂連桿工作實(shí)際情況是否吻合直接關(guān)系應(yīng)變-位移結(jié)果的正確性、合理性。在實(shí)際工作中，氣動(dòng)機(jī)械臂連桿的大端連接機(jī)器內(nèi)部，而小端與吸盤開袋裝置上方軸承相配合。選取連桿大端面作為約束面，施加平移約束，在連桿小端面固定端最遠(yuǎn)處弧面施加工作載荷為30N壓力[8]。將所有載荷加載完畢之后，運(yùn)行ANSYS求解器，分析結(jié)果如圖5～6所示。

3.1.3 結(jié)論

（1）氣動(dòng)機(jī)械臂連桿工作載荷施加的均勻性、對(duì)稱性和準(zhǔn)確性是造成連桿的桿身、大端和小端直徑以及長(zhǎng)度大小的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果不同的主要原因。因此在有限元的分析中，采用科學(xué)的力學(xué)模型以及使用準(zhǔn)確的邊界條件進(jìn)行約束，決定分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。（2）氣動(dòng)機(jī)械臂連桿危險(xiǎn)斷面位于小端頂部和桿身端面的過渡區(qū)。（3）分析應(yīng)力分布圖可知，連桿小端面前段是受力最嚴(yán)重的地方，所以在進(jìn)行連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，小端面需要足夠的直徑滿足氣動(dòng)機(jī)械臂，當(dāng)具有載荷施加情況下工作時(shí)具備可行性、安全性。特別注意小端面與大端面間過渡面的連接處，應(yīng)使該處的直徑在合理范圍內(nèi)大一些，以防止工作過程中應(yīng)力集中對(duì)機(jī)械臂連桿造成損害。

3.2 熱封袋口

3.2.1 熱封袋口工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)

當(dāng)熱封溫度為150℃時(shí)，熱封強(qiáng)度值呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì);當(dāng)熱封溫度為160℃和170℃時(shí)，隨熱封時(shí)間的增加，熱封強(qiáng)度值均呈現(xiàn)先增加后緩慢減小的趨勢(shì);熱封溫度為180℃和190℃時(shí)，熱封強(qiáng)度值隨時(shí)間呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，分析結(jié)果如圖7所示[9-10]。

3.2.2 熱封材料選擇

包裝材料熱封試驗(yàn)機(jī)就是采用熱壓封口法對(duì)塑料薄膜和復(fù)合軟包裝材料的熱封溫度、熱封壓力和熱封時(shí)間等熱封性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，以獲得較為精確的熱封性能指標(biāo)。其工作原理是由調(diào)節(jié)在一定壓力的空氣壓縮機(jī)將壓縮空氣送入氣缸內(nèi)，由時(shí)間繼電器使電磁閥啟動(dòng)，通過改變氣缸內(nèi)的加壓方向使調(diào)節(jié)在一定溫度的加熱棒上下運(yùn)動(dòng)，使包裝材料在一定的熱封溫度、熱封壓力和熱封時(shí)間下進(jìn)行熱封。通過改變熱封溫度、熱封壓力和熱封時(shí)間，獲得包裝材料的熱封工藝參數(shù)范圍和最佳熱封工藝參數(shù)。在熱封壓力0.2MPa下，選取熱封溫度為150℃、160℃、170℃、180℃和190℃，熱封時(shí)間為0.5s、1.0s、1.5s、2.0s和2.5s。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)該有機(jī)肥料自動(dòng)打包機(jī)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)肥料的連續(xù)自動(dòng)打包，主要的創(chuàng)新點(diǎn)有：（1）由有機(jī)肥料有難聞氣味的特點(diǎn)，使用熱封代替線封，解決了有機(jī)肥料異味，延長(zhǎng)有機(jī)肥料的保存時(shí)長(zhǎng)。（2）采用負(fù)壓吸盤提袋續(xù)袋，相較于傳統(tǒng)機(jī)械提袋法，減少了對(duì)包裝袋的損壞，包裝材料的利用率提高了5%。（3）采用二級(jí)分段式稱量，減小了產(chǎn)品均值的誤差。該打包機(jī)有效地解決了有機(jī)肥料的包裝儲(chǔ)存問題，提高了生產(chǎn)效率、降低了勞動(dòng)成本、改善了工人的工作環(huán)境。同時(shí)，今后應(yīng)對(duì)機(jī)器的智能化、信息化等技術(shù)方面做進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉睿，王正銀，朱洪霞.中國有機(jī)肥料研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007（1）：310-313.

[2] 馬常寶.我國有機(jī)肥料工廠化現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].磷肥與復(fù)肥， 2004（1）：7-11.

[3] 張亞鋒，蔡建文，張美鳳，等.基于開式雙柱可傾壓力機(jī)的自動(dòng)送料裝置的研究與設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2017（3）：78-81+88.

[4] 劉東紅，陳純.包裝材料熱封性能試驗(yàn)機(jī)的研制[J].食品工業(yè)科技，2001（4）：86-87.

[5] 耿進(jìn)良，韓厚德，闞安康，等.真空絕熱板絕熱特性研究[J].節(jié)能，2010（12）：2+24-27.

[6] 李永偉，朱婧菲，劉占陽，等.連續(xù)輸送物料計(jì)量稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（3）：213-217.

[7] 黃奕安.基于嵌入式的稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[8] 沈曉麗，李健，宋述停，等.液壓機(jī)械臂連桿有限元分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011（16）：58-62+66.

[9] 黃冬梅.包裝熱封缺陷的紅外無損檢測(cè)[D].無錫：江南大學(xué)， 2005.

[10] 韓炬，王瑩，郭亞楠.包裝機(jī)熱封機(jī)構(gòu)的建模及動(dòng)力學(xué)分析[J].食品與機(jī)械，2013（1）：146-148.